突破性方法利用曾无用的纳米粒子制造出超高纯度LED

剑桥大学卡文迪许实验室的研究人员攻克了光电子学领域一个长期存在的障碍。他们发明了一种分子"后门"，能够为先前被认为对现代电子设备无用的材料供电。

具体而言，这项进展的核心在于一种能够为先前绝缘的纳米粒子（即镧系掺杂纳米粒子，LnNPs）供电的技术。这催生了一类新型发光二极管（LED） —— "LnLED"的诞生，该技术有望推动医疗诊断、超高速光通信和高灵敏度化学检测器的发展。

为电子设备中的纳米粒子供电

LnNP材料以其能够产生极其纯净和稳定光线的能力而闻名，尤其是在第二近红外窗口波段，该波段比可见光能更深入地穿透生物组织。

问题何在？它们具有电绝缘性。这阻碍了这些纳米粒子在LED等电子设备中的应用。

"这些纳米粒子是极好的发光体，但我们过去无法用电来驱动它们。这是阻碍其应用于日常技术的一个主要障碍，"在卡文迪许实验室领导这项研究的阿克沙伊·拉奥教授说。

剑桥团队的解决方案是创造一种有机-无机混合材料，以规避LnNPs的绝缘特性。

在该方法中，一种有机染料（9-蒽羧酸，9-ACA）被附着在LnNPs的表面。这种分子充当了"天线"的角色。

在新的LnLED设计中，电荷被直接注入到9-ACA分子中，完全绕过了纳米粒子。

9-ACA分子捕获这些能量，并进入一个高能量的三重态激发态（该状态通常被认为是"暗态"或能量浪费状态）。

随后，能量以超过98%的效率从三重态转移到纳米粒子中的镧系离子，从而产生明亮的光发射。

"我们本质上找到了一个为它们供电的后门。有机分子像天线一样工作，捕获电荷载流子，然后通过一种特别高效的三重态能量转移过程，'低声'传递给纳米粒子，"拉奥指出。

无限应用前景

LnLEDs在低电压（约5伏特）下工作，能产生光谱宽度极窄的光，其纯度和特异性超过了量子点及其他竞争对手。

"我们的LnLEDs在第二近红外窗口发射的光线具有极高的纯度，这是一个巨大优势，"该研究的主要作者、卡文迪许实验室博士后研究员钟正宇（音译）博士说。"对于生物医学传感或光通信等应用，你需要非常尖锐、特定的波长。我们的设备可以毫不费力地实现这一点，这是其他材料很难做到的。"

这种前所未有的纯度和电控特性解锁了广泛的应用前景。

例如，它可以促成先进医疗设备的创建，如用于深层组织成像（例如，检测癌症或监测器官功能）以及精确定位激活药物的、可注射或可穿戴的微型LnLEDs。

这种特定的窄光谱光使得光通信系统能够传输更多数据且干扰更少，从而实现更快、更清晰的通信。这还不是全部。这种光的纯度也非常适合制造用于检测特定化学或生物标记物的高灵敏度检测器。

该团队持乐观态度，他们已为其第一代NIR-II LEDs展示了超过0.6%的初始峰值外量子效率，前景可观，并且制定了明确的策略，有望在未来实现显著改进。

这项研究于11月19日发表在《自然》杂志上。

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